tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng

Đề tài này được thực hiện nhằm phân tích cơ sở lý thuyết để triển khai thửnghiệm, đánh giá một số mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng, đặc biệtchú trọng mô hình cánh tuốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-000 -TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Đề tài:

“ Phát triển mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng ”.

Học viên : Phạm Thị Như Trang Lớp : Cao học K12 - CNCTM Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

Giáo viên HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ

Thái nguyên, 11.201

MỞ ĐẦU

Gió là một dạng năng lượng lý tưởng thay thế cho năng lượng hóa thạchđang cạn kiệt Trong các máy phát điện dùng sức gió, các turbine(tuốc bin) trụcđứng (Vertical-axis wind turbines - VAWT) được đang được quan tâm nghiên cứunhằm cải thiện hiệu năng của nó [1-10] Các tuốc bin trục đứng cánh thẳng (dạng HH-Darrieus) được ưa chuộng do cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo của nó Tuy vậy, mộttrong những nhược điểm cố hữu của nó là không tự khởi động được (Self-start) làvấn đề đang rất được quan tâm [1-9] Các cố gắng cải tiến đã được thực hiện [1-2]nhưng rô – to vẫn không tự quay khi có tải, dù là tải nhẹ

Nhiều nghiên cứu đã tìm cách điều khiển góc cánh tuốc bin sao cho nó đónđược gió nhiều nhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch Có thể kể đến cáchướng khai thác như: điều khiển cưỡng bức vị trí và góc xoay cánh bằng động cơservo [3,4]; kết hợp sử dụng các truyền động cơ khí để cưỡng ép cánh xoay theohướng phù hợp cải tiến hình dáng kết cấu và vị trí trục xoay của cánh để nó có thể tựxoay dưới tác dụng của các lực tương tác của gió [5-7] Gần đây nhất, một luận văncao học tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cũng cố gắng xâydựng mô hình xoay cánh nhờ hệ truyền dẫn các bánh răng

Hầu hết các nghiên cứu đã đi sâu phân tích cơ sở tính toán, mô phỏng trênmáy tính Tuy vậy, việc triển khai thực tế ra các mô hình làm cơ sở cho nghiên cứu,thực nghiệm và cải tiến cánh tuốc bin gió trục đứng vẫn đang cần phát triển thêm

Đề tài này được thực hiện nhằm phân tích cơ sở lý thuyết để triển khai thửnghiệm, đánh giá một số mô hình điều khiển cánh tuốc bin gió trục đứng, đặc biệtchú trọng mô hình cánh tuốc bin tự xoay theo hướng tác động của gió

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp các kiến thức kinh nghiệm về điềukhiển cánh tuốc bin gió trục đứng Mô hình có thể phục vụ cho các nghiên cứu thựcnghiệm về máy phát điện gió.

- Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hy vọng phát triển được mô hình tuốc bin có cánh tự xoay; kết cấu cánhđơn giản, dễ chế tạo nhằm góp phần hiện thực hóa ở Việt Nam

* Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài này có mục đích thử nghiệm một số đề xuất của các nhà nghiên cứu trongnước và thế giới nhằm hiện thực hóa một mô hình cánh tuốc bin gió tự xoay hiệu quảnhất

* Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là nghiên cứu thực nghiệm, nội dung

* Đối tượng nghiên cứu

- Mô hình động lực học của cánh tuốc bin gió xoay được;

- Mô hình thực tế

* Các kết quả chính đã đạt được

Đề tài đã thu được một số kết quả chính sau đây:

- Chế tạo được một mô hình tuốc bin cánh cố định và ba mô hình tuốc bin

sử dụng cánh tự xoay, trong đó có một mô hình thí nghiệm cho phép thayđổi số cánh để lựa chọn kết cấu tối ưu

- Tiến hành thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của số cánh đến hiệu nănghoạt động của tuốc bin

* Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm 5 nội dung chính:

 Chương 1: Tổng quan về đề tài

 Chương 2: Các nghiên cứu về kết cấu cánh và hướng phát triển của đề tài

 Chương 3:Thiết kế mô hình tuốc bin gió

 Chương 4: Kết quả thí nghiệm

 Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Năng lượng gió và tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới

1.2 Tổng quan về tuốc bin gió trục đứng

1.2.1 Tuốc bin gió trục đứng

Tuốcbin gió trục đứng (VAWTs) là một loại tuốcbin gió mà rôto trụcchínhđượcđặt thẳng đứng và các thành phần chính được đặt ở phần đế của tuốc bin Một trongnhững ưu điểm của kết cấu này là máy phát điện và hộp số có thể được đặt ngaygần mặt đất vì thế chúng được vận hành và sửa chữa dễ dàng hơn và VAWTs không

bị phụ thuộc vào hướng gió [ 1 ]

So với các tuốc bin gió trục ngang truyền thống (HAWTs) thì VAWTs cũng đã

có một số ưu điểm trội hơn:

 Chúng có thể được lắp đặt thành một vòng khép kín với nhau trong các trangtrại gió và cho phép lắp đặt với số lượng nhiều hơn trong một không gian nhấtđịnh

 VAWTs cứng vững hơn, không gây ồn, đa hướng, và chúng không gâynên ứng suất lớn cho kết cấu giá đỡ [2] [3]

 Do bộ phận phát điện có thể đặt gần mặt đất nên việc bảo dưỡng dễ dàng vàviệc khởi động không cần phải có lượng gió lớn nên có thể được đặt trên ốngkhói hoặc các cấu trúc cao tầng tương tự [4]

Nhưng bên cạnh đó VAWT vẫn tồn tại những nhược điểm:

 VAWT có xu hướng bị ngừng làm việc theo từng cơn gió

 VAWT có kết cấu bên ngoài rất nhạy cảm và có một chiều cao lắp đặt vớigiới hạn thấp để có thể vận hành trong môi trường có tốc độ gió thấp hơn.[5]

 Các cánh của VAWT có xu hướng bị mỏi giống như lưỡi dao quay quanh trụctrung tâm

Mặc dù vẫn còn những tồn tại nhưng so sánh trên nhiều phương diện thì các tuốcbin gió trục đứng VAWT vẫn được đưa vào sử dụng nhiều và ngày nay các nhà thiết

kế đã và đang không ngừng nghiên cứu những thay đổi về kết cấu, biên dạng cánh đểVAWTs có thể làm việc được theo đa hướng gió và sao cho chúng đón được gió nhiềunhất ở phía thuận và cản gió ít nhất ở phía nghịch nhằm nâng cao hiệu suất phát điện

1.2.2 Các loại tuốc bin gió trục đứng

1.2.2.1 Tuốc bin Darrieus

Tuốc bin gió Darrieus ba cánh

1.2.2.2 Tuốc bin Savoniu

Tuốc bin Savonius

1.2.2.3 Tuốc bin Giromill

Tuốc bin Giromill 2 cánh [7]

Tuốc bin gió trục đứng Giromill (3 cánh, 200 kW, Falkenberg, Thụy Điển)

1.2.2.4 Cycloturbin

Cycloturbine

1.2.2.5 Flap turbine

Hình 1.12 Mô hình Flap turbine

1.3 Kết luận chương 1

Như vậy, việc sử dụng năng lượng gió đã được con người khai thác từ rất sớm vàcùng với các phát minh về điện và máy phát điện thì các máy phong điện cũng đã được

ra đời

Cho đến ngày nay, một loạt các hệ thống phong điện với các tuốc bin gió đã vàđang phát triển rất mạnh mẽ ở một số quốc gia trên thế giới Khi so sánh giữa hai loạituốc bin gió trục ngang (HAWT) và tuốc bin gió trục đứng (VAWT), mặc dù vẫn còntồn tại một số mặt hạn chế nhưng VAWTs vẫn được sử dụng nhiều bởi những hiệu íchmà chúng mang lại

Cho đến nay các công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất của loại tuốc bingió trục đứng VAWT vẫn đang được quan tâm nhiều, đặc biệt là việc tính toán thiết kế

hệ thống cánh tuốc bin, nhất là yếu tố biên dạng cánh vẫn còn là vấn đề phức tạp cầnsớm được giải quyết Đây cũng là một trong những đề tài đang được các nhà khoa họcquan tâm nghiên cứu để hướng tới sự cải tiến hoàn thiện hơn cho VAWT

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU CÁNH TUỐC BIN GIÓ 2.1 Cơ sở tính toán khí động học cánh tuốc bin gió

2.1.1 Vật lý học về năng lượng gió

2.1.2 Học thuyết của Betz

2.2 Một số kết cấu cánh tuốc bin gió

Cùng với sự phát triển của các hệ thống HAWTs và VAWTs, các nhà nghiên cứu

đã đưa ra thử nghiệm và ứng dụng nhiều kiểu dáng hình học cánh khác nhau để kiểmnghiệm và so sánh hiệu quả mà nó đem lại

Với tuốc bin gió trục ngang, khi có gió, các cánh có khả năng tự khởi động, cánhquay liên tục và luôn quay theo một chiều nhất định ( xem hình 2.1)

Hình 2.1 Mô tả chiều quay cánh tuốc bin gió trục ngang

Khác với các tuốc bin gió trục ngang ở trên, tuốc bin gió trục đứng, cánh cố địnhtrên trục, lực tác dụng của gió lên hai phía ( quy ước hai phía là thuận và nghịch so vớichiều gió, minh họa như hình 2.2) là như nhau:

Như vậy, muốn quay được cánh tuốc bin thì giá trị Fxoay >> 0 và giá trị này cànglớn, mô men xoay trục càng lớn Tuy nhiên, khó có thể tăng F1 nên người ta luôn tìmcách giảm F2 Để đạt được mục đích đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều kiểu biêndạng cánh, nhiều phương án điều khiển góc cánh khác nhau, sao cho Fxoay đạt được làlớn nhất Về nguyên tắc, có hai cách tạo ra chênh lệch lực tác dụng giữa phía thuận vàphía nghịch

 Với cánh cố định

Có nhiều kiểu biên dạng cánh khác nhau đã được thiết kế, như:

Việc xoay cánh phải đạt được các yêu cầu sau:

- Mở (open) diện tích hứng gió khi cánh ở phía thuận

- Cuộn ( furl) diện tích cánh tối đa để giảm lực cản

Cánh bên phía nghịch Cánh bên phía thuận

a, Điều khiển chủ động hay cưỡng bức, tự lựa cánh theo hướng gió: trong kiểu

điều khiển này, tính toán, sắp xếp trước hướng của cánh tại các vị trí khác nhau trong

một vòng quay của trục tuốc bin sao cho nó đảm bảo các yêu cầu ở trên Theonguyên tắc này, đã có các mô hình sử dụng phương án điều khiển hướng các cánh sửdụng động cơ servo, truyền động bánh răng, cơ cấu bốn khâu bản lề Kiểu điều khiểnnày đem lại hiệu suất cao Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại một số nhược điểm:

- Cồng kềnh

- Tốn kém

- Tiêu tốn năng lượng

b, Điều khiển bị động: cánh tự xoay tùy theo hướng gió Năng lượng gió được sử

dụng trực tiếp để xoay cánh Kiểu xoay cánh này đang được nhiều nhà nghiên cứuquan tâm và triển khai mô hình

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH TUỐC BIN GIÓ

3.1 Một số mô hình tuốc bin gió đã thiết kế trong quá trình thực hiện đề tài.

3.1.1 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng kiểu Savonius

bi 202 bi 6000

350

bi 6000 145

Hình 3.2 Hệ thống cánh tuốc bin số 1

b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Cấu tạo: Các cánh được chế tạo với biên dạng cong và được làm kín haiđầu để mục đích hứng gió được nhiều hơn, cánh được lắp vào 2 đĩa đỡ

bằng ổ lăn nhờ đó nó có khả năng tự xoay Trên đĩa đỡ có gắn các chốtchắn để định vị trí giới hạn cho cánh, tránh sự va chạm các cánh khi làmviệc Mép ngoài của cánh có gắn ổ lăn ở vị trí giữa, khi có gió tác động

sẽ đẩy cánh trượt trên rãnh của vành tròn khung bao ngoài Khung baongoài được thiết kế một vành tròn có rãnh trượt, vành tròn này đặt lệchtâm với 2 đĩa đỡ mục đích tạo khoảng trống, hình thành luồng gió làmquay cánh tuốc bin

- Nguyên lý hoạt động:

F1

F2

Hình 3.3 Mô tả nguyên lý hoạt động

Với cánh ở bên thuận hướng gió, lực tác động của gió sẽ làm cánh mở hết mức

để hứng gió và được định vị trí nhờ chốt hãm Bên cánh ngược hướng gió, lực tácđộng của gió sẽ đẩy các cánh có xu hướng “ cụp lại” để giảm lực cản Khi F1 >F2 sẽlàm cho trục tuốc bin quay

3.1.2 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, biên dạng cánh thẳng

Hình 3.5 Mô hình tuốc bin số 2

b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Cấu tạo: hệ thống cánh được lắp đối xứng, cánh được chế tạo dạng chữthập, biên dạng cánh phẳng Mỗi cánh có thể tự xoay nhờ lắp với haithanh đỡ bằng ổ lăn Thanh đỡ được lắp chặt với trục quay Hệ thốngcánh được lắp với trục quay và đặt trên đế đỡ Cả hệ thống được đặt trongmột hộp định hướng gió

- Nguyên lý hoạt động: khi có gió, nhờ có hộp định hướng gió nên gió sẽtác động theo một luồng làm quay các cánh nhỏ và từ đó làm quay trụctuốc bin

3.1.3 Tuốc bin gió dạng roto lồng sóc, cánh cố định

22 3550

Hình 3.7 Mô hình tuốc bin số 3

b, Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Cấu tạo: các cánh được gắn với giá đỡ và nghiêng một góc 30o tạo thànhlõi roto của tuốc bin Lồng bao ngoài gồm các cánh phẳng gắn cố địnhvới giá đỡ và nghiêng một góc 30o ngược chiều với chiều nghiêng củacánh trong lõi roto với mục đích tạo luồng xoáy khi có gió tác động Lồngbao ngoài được lắp cố định với đế của tuốc bin

- Nguyên lý hoạt động: khi có gió, gió tác động vào các cánh ngoài vàthành luồng xoáy tác động vào các cánh cong bên trong đẩy lõi roto quay

3.1.4 Tuốc bin gió có cánh tự xoay, kiểu flap turbine

Hình 3.9 Mô hình tuốc bin số 4

b, Mô tả cấu tạo và hoạt động

Tuốc bin được thiết kế đơn giản, số cánh có thể thay đổi được nhờ lắp ghéptrên đĩa phân độ Mỗi cánh lớn có các cánh nhỏ lắp ghép với nhau theo kiểu “ chớpcửa” Hệ thống cánh được lắp với đĩa phân độ và lắp vào trục quay Mô hình làm việcdựa trên nguyên lý chênh lệch về lực tác dụng giữa các cánh Khi cánh quay đến vị trí

có hướng gió thuận, các cánh nhỏ sẽ chồng xếp lên nhau tạo thành bề mặt hứng gió Ở

vị trí có hướng gió nghịch, gió tác động làm các cánh nhỏ xoay và nâng lên một gócnào đó so với mặt phẳng khung cánh, tạo thành các khe hở cho luồng gió đi qua và do

đó tạo nên sự chênh lệch về lực giữa các cánh và tạo thành mô men làm quay tuốc bin Qua khảo sát bốn mô hình đã thiết kế, mô hình tuốc bin gió có cánh tự xoay dạngFlap Turbine đem lại hiệu suất cao hơn với kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Do đó, đề tàinày lựa chọn mô hình tuốc bin này để thực nghiệm, khảo sát và được trình bày cụ thể

- Vận hành thử nghiệm mô hình

- Khảo sát sự thay đổi tốc độ quay của tuốc bin khi có số cánh là: 3,4 ,5

- Tính toán các thống số về lực, mô men, công suất khi nguồn gió có cácvận tốc là 1,5 m/s , 2,0 m/s , 3,5 m/s

3.2.2 Cơ sở để làm mô hình thực nghiệm

- Do điều kiện và thời gian không cho phép sử dụng năng lượng gió thực tế nên sửdụng nguồn năng lượng từ quạt bàn làm nguồn gió cung cấp cho thí nghiệm Cácthông số khảo sát trực tiếp bằng cách đo thực tế là quạt có chiều cao 650mm, đườngkính cánh 400mm

- Dựa trên cơ sở đó mô hình tuabine chế tạo có chiều cao tổng thể là 630 mm cánh

có chiều cao là 400mm chiều rộng 200 mm

3.2.3 Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin thiết kế

Kiểu dáng hình học cánh tuốc bin ảnh hưởng tới chất lượng và đặc tính khởiđộng của tuốc bin gió Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác ảnh hưởng của các kếtcấu cánh khác nhau

Thực tế cho thấy, khi thiết kế kết cấu cánh cho tuốc bin, nếu xét đơn lẻ một cánhtại vị trí chắn gió tối ưu thì cánh có biên dạng cong sẽ có khả năng hứng gió cao hơncánh có biên dạng thẳng Tuy nhiên, kết cấu cánh có biên dạng cong khi chế tạo tốnnhiều kinh phí hơn đồng thời việc bố trí số cánh sao cho tổng công suất có ích là lớnnhất lại rất khó khăn vì có nhiều cánh ở vị trí gây công suất hao phí do đang ở hànhtrình cản Nếu muốn giảm số cánh ở hành trình cản và tăng khả năng hứng gió chocánh tối ưu thì phải thiết kế hệ thống điều khiển góc hứng gió của cánh nên rất tốnkém không đảm bảo tính kinh tế Do đó đề tài này chọn kết cấu cánh là dạng cánhthẳng, tự xoay để điều chỉnh khả năng hứng gió, chế tạo đơn giản Tuy cánh thẳng cókhả năng hứng gió thấp hơn cánh cong nhưng nếu kết cấu hợp lý thì vẫn đạt được tổngcông suất yêu cầu trên toàn bộ hệ thống cánh

3.2.4 Nguyên lý làm việc của mô hình

Mô hình làm việc dựa trên nguyên lý chênh lệch về lực và momen giữa các cánh.Khi cánh quay đến vị trí có hướng gió thuận thì các cánh nhỏ sẽ chồng xếp lên nhautạo thành bề mặt hứng gió, còn ở vị trí có hướng gió nghịch thì các cánh nhỏ sẽ mở lênmột góc nào đó so với mặt phẳng khung cánh tạo thành các khe hở cho luồng gió điqua và do đó tạo nên sự chênh lệch về lực giữa các cánh và tạo thành mô men làm

quay tuốc bin

3.2.5 Thiết kế và chế tạo mô hình

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Mô tả thí nghiệm

4.2 Khảo sát ảnh hưởng của số cánh

4.2.1 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 3.

4.2.2 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 4.

4.2.3 Khảo sát mô hình với số cánh bằng 5

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

1 Kết luận

2 Đề xuất